高嶺換流站潮流反轉保護動作的分析研究

張愛玲，黃金海，周仁偉，吳慶范，楊超峰，王彥賓

（許繼電氣股份有限公司，河南 許昌461000）

東北-華北聯網高嶺背靠背換流站位于遼寧省綏中縣高嶺鎮高嶺開關站的西北側，換流站設計容量1 500 MW，工程于2008年11月25日正式投入運行，實現了東北電網與華北電網的直流背靠背聯網。高嶺背靠背換流站兩側交流電壓均為 500 kV，直流側電壓為±125 kV，分兩個單元，每個單元輸送容量為750MW。控制保護系統采用SIMADY D平臺，其中直流保護系統采用三重化配置，動作出口邏輯為三取二邏輯，當三套保護系統都正常運行時，至少有兩套保護系統動作保護才會出口[1-4]。

2010年03月30日，高嶺背靠背換流站單元1功率輸送方向為東北到華北，輸送功率為額定功率750 MW，三套保護系統都處于正常運行狀態。當天華北側交流網側發生接地故障，高嶺背靠背換流站單元1三套直流保護系統均報潮流反轉保護跳閘，保護出口，導致單元1跳閘停運。

1 潮流反轉保護基本原理

潮流反轉保護主要用在無運行人員的控制命令的情況下，當控制系統故障引起功率反向時，保護系統設備。潮流反轉保護測量直流電壓和直流電流，如果在設定時間內功率改變方向，并且超過預定參考值，保護動作，系統停運。

潮流反轉保護的判據是直流電壓超過最小預定參考值，并在一定時間內改變極性，并且功率水平達到設定的參考值。潮流反轉保護有三個條件：(1)時間窗口，直流電壓低于一個參考值（本工程設定為0.2 pu），則開放2 s的時間窗口；(2)電壓極性改變，直流電壓低于一個參考值時開放2 s的時間窗口，同時把這個時刻的電壓值送到鎖存器做電壓方向判斷；(3)功率水平，實時判斷功率水平是否大于參考值(本工程設定為最小功率值)。如果以上3個條件均滿足，則經過延時啟動保護出口邏輯。

潮流反轉保護的具體邏輯框圖如圖1所示，其中：Ud1為高壓側直流電壓；Ud2為低壓側直流電壓；Id1為高壓側直流電流；Id2為低壓側直流電流。潮流反轉保護中開放時間窗口的電壓條件為：直流電壓Ud1和Ud2分別取絕對值，然后經過平滑濾波后取最小值，小于0.2 pu則開放2 s的時間窗口，并同時觸發鎖存器。電壓極性判斷條件是：直流電壓Ud1和Ud2取差值經過平滑濾波送入鎖存器，當觸發鎖存器后把這個時刻的值鎖存并與設定的參考值進行比較，將比較的結果送到異或邏輯輸出。功率水平判斷的實現方式為：直流電壓Ud1和Ud2取差值，然后經過平滑濾波取絕對值與直流電流相乘，計算功率，再與設定好的最小功率值相比較。

2 潮流反轉保護動作的分析

在實驗室RTDS系統平臺上，用故障回放的方法來做分析。RTDS系統由實時數字仿真器和一套直流控制保護裝置兩部分構成，實時數字仿真器用于模擬電網(包括直流系統)一次部分，并與直流控制保護裝置連接構成實時閉環仿真系統。RTDS與直流保護裝置之間采用±10 V的電信號進行接口。RTDS按照高嶺直流工程建模，控制保護系統使用與高嶺工程中相同的軟件。故障回放方法就是利用現場故障濾波的波形通過RTDS送入直流保護裝置，以此模擬現場直流保護的動作情況。圖2就是利用此方法得到的保護系統中潮流反轉保護的各個量濾波圖。其中各個故障波形的含義為：UDC1為原始故障直流電壓1；UDC2為原始故障直流電壓2；IDC1為原始故障直流電流；AO1為絕對值并平滑濾波后的直流電壓1；AO2為絕對值并平滑濾波后的直流電壓2；AO3為直流電壓1和直流電壓2取差后平滑濾波值；AO4為鎖存器輸出的電壓值；AO_5為絕對值并平滑濾波后的直流電壓1和直流電壓2的最小值；UDLOW為啟動時間窗口并觸發鎖存器；UDREV為電壓極性反向；SS為啟動極控系統切換（保護出口）；REDESOF為移相閉鎖（保護出口）。

下面對圖2進行分析，直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的最小值小于0.2 pu時，啟動時間窗口并觸發鎖存器，直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的差值作為判定電壓極性的輸入，從故障波形上可以看出，直流電壓Ud1與直流電壓 Ud2的最小值小于 0.2 pu時（AO_5），鎖存器輸出的電壓是-0.15 pu（AO4），小于 0.05 pu，后面的比較模塊輸出 “0”。而實時的電壓很快上升到 0.05 pu以上(AO3)，導致直接接在其后的比較模塊輸出“1”，接到這兩個比較模塊上的異或邏輯模塊輸出“1”，判定為直流電壓發生反向，這時功率水平大于75 MW，導致潮流反轉保護動作。

從原始故障波形上看出，直流電壓Ud1比直流電壓Ud2下降得更快。保護中對直流電壓Ud1和直流電壓Ud2分別采取平滑濾波，原始直流電壓Ud1下降到0.2 pu以下并快速返回，由于平滑濾波的作用，平滑濾波后的直流電壓Ud1并未下降到 0.2 pu以下（AO1），而是由直流電壓 Ud2下降到 0.2 pu時（AO2）觸發鎖存器，導致鎖存器收到錯誤的直流電壓值(-0.15 pu)，引起保護電壓方向判斷錯誤。

3 潮流反轉保護邏輯的改進和驗證

潮流反轉保護中采用直流電壓Ud1與直流電壓Ud2中的小值作為低電壓觸發鎖存器的條件，而電壓極性判斷采用直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的差值作為判斷條件；所以，直流電壓不一致有可能引起潮流反轉保護的不正確動作。

通過以上分析可知，如果采用直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的差值代替直流電壓Ud1與直流電壓Ud2中的小值作為低電壓觸發鎖存器的條件，就可以保證低電壓時刻的電壓值正確地送到軟件中的鎖存器中，以此來判定電壓的方向。用修改過的程序做故障回放實驗，得到圖3的波形。從波形圖可以看出，在做相同的故障回放時，由于低電壓門檻條件和電壓極性判斷采用相同的直流電壓Ud1與直流電壓Ud2的差值作為判斷條件，正確地判定了電壓的方向，潮流反轉保護沒有動作。

模擬交流網側接地故障：在RTDS試驗系統中，兩側交流電壓均設為500 kV，功率傳輸方向設為東北到華北，單元1解鎖到額定功率運行狀態，即直流側電壓為±125 kV，電流為 3 000 A，功率為 750 MW，在 RTDS模型中模擬華北側交流網側金屬性接地故障，得到如圖4所示的故障波形。可以看出波形與修改程序后的故障回放波形基本相似，潮流反轉保護沒有動作，驗證了程序修改的正確性。

本文介紹了直流極保護中潮流反轉保護的原理，詳細分析了高嶺換流站潮流反轉保護誤動作的原因，在此基礎上提出了修改意見，并通過故障回放和模擬交流網側故障的方法驗證了修改后的程序的正確性和可行性。修改后的程序在高嶺換流站進行了實施，在運行的過程中沒有出現問題，運行良好。

[1]趙婉君.高壓直流輸電工程技術[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]戴熙杰.直流輸電基礎[M].北京：水利電力出版社,1990.

[3]張望，黃利軍，郝俊芳，等.高壓直流輸電控制保護系統的冗余設計[J].電力系統保護與控制，2009，37(13)：88-90.

[4]李延龍，楊亞璞，李楠.高壓直流輸電控制保護系統的冗余可靠性研究[J].電力系統保護與控制，2009，37(16)：59-62.